響應面優化紫蘇籽油超聲提取工藝研究

李占君 劉運偉 馬珂 高金輝 郭興 楊逢建

摘 要：? 為了進一步研究紫蘇籽油提取工藝，在非預浸提的情況下，應用超聲提取法，對影響紫蘇籽油提取率的顯著性因素進行響應面Box-Behnken分析與優化。研究得出最優條件為：溶劑為體積分數70%乙醇溶液，固液比為1∶ 10 g/mL，時間為34.66 min，功率為80.93 W，水浴溫度為59.92 ℃，實際平均提取率為23.78 %±0.014 %。結果表明，超聲提取紫蘇籽油合理有效，響應面優化該種提取工藝現實可靠。

關鍵詞： 紫蘇籽油; 非預浸提;超聲提取;響應面;因素優化

中圖分類號 ：TQ654.2;TS205.4?? ?文獻標識碼 ：A?? ?文章編號 ：1006-8023（2020）02-0067-06

Research on Ultrasonic Extraction Technology of ?Perilla ?Seed Oil by Response Surface

LI Zhanjun1， LIU Yunwei1， MA Ke1， GAO Jinhui1， GUO Xing1， YANG Fengjian2*

（1. Yichun Branch of Heilongjiang Academy of Forestry， Yichun 153000， China; 2. Key Laboratory of Forest Plant Ecology， Ministry of Education（Northeast Forestry University）， Harbin 150040， China）

Abstract：? In order to further research the extraction process of Perilla seed oil， non-pre-extraction ultrasonic extraction method was applied. And the response surface Box-Behnken analysis optimizations were carried out for the significant affecting factors of the Perilla seed oil extraction yield. The optimal conditions as follows： Ethanol solution with volume fraction of 70% as solvent， solid liquid ratio of 1∶ 10 （g / mL）， time of 34.66 min， power of 80.93 W， water bath temperature of 59.92℃. Actual average extraction yield was 23.78% ± 0.014%.

The result indicated that the ultrasonic extraction of Perilla seed oil was reasonable and effective， response surface optimization of the extraction process was practical and reliable.

Keywords： Perilla seed oil; non-pre-extraction; ultrasonic extraction; response surface; factor optimization

收稿日期： 2019-11-11

基金項目： 黑龍江省伊春市重點科技項目（G2018-17）

第一作者簡介： 李占君，碩士，工程師。研究方向：植物天然產物分離及鑒定。E-mail：lizhanjun.1@163.com

*通信作者： 楊逢建，博士，教授。研究方向：植物資源。E-mail：yangfj@nefu.edu.cn

引文格式： 李占君，劉運偉，馬珂，等. 響應面優化紫蘇籽油超聲提取工藝研究[J].森林工程，2020，36（2）：67-72.

LI Z J， LIU Y W， MA K， et al. Research on ultrasonic extraction technology of perilla seed oil by response surface [J]. Forest Engineering，2020，36（2）：67-72.

0 引言

紫蘇（Perilla frutescens （L.） Britt.）為唇形科蘇屬草本植物，生長周期一年，又被叫做赤蘇[1-3]。我國的紫蘇資源具有久遠的發展歷史，在食品、藥品等領域具有廣泛性的應用，紫蘇全身可利用性較高，特別是種子——紫蘇籽。紫蘇籽中油脂含油率和營養程度處于較高水平，紫蘇籽油在降低人體血脂、減緩機體衰老、抗過敏治療、抗癌保健和保護肝臟等方面具有非常重要的作用，特別是其脂肪酸構成中高含量的α-亞麻酸對健腦益智、保護視力也具有重要的意義[4-7]。

現階段油脂化學工藝領域常用到的提取方式有索氏提取法、超聲提取法、微波提取法和超臨界CO2流體提取法[8-9]。其中超聲提取法因其高效、環保、低溫和物質穩定不被破壞等優勢，在食品、質檢、藥品研發、檢測、提取純化和理化實驗等諸多領域得到廣泛性認可與應用[10-12]。

該研究過程中應用超聲提取法，在非預浸提條件下對各項影響因素予以分析、研究和優化，為油脂化學工藝研究領域提供現實、有效的參考依據。

1 材料與儀器

1.1 材料

優質紫蘇籽：2019年9月份選購于黑龍江省伊春市鐵力林業局茂林河林場;乙醇（無水），超純水。

1.2 實驗儀器

電子分析天平（型號：UH 620 H，日本SHIMADZU島津）;臺式數控超聲波清洗器（型號：KQ-100DE，昆山市超聲儀器有限公司）;微型中藥粉碎機（型號：HC-250 T，浙江河城工貿有限公司）;轉蒸發儀（型號：RE-52 AA，上海亞榮）;理化干燥箱（型號：LG 100 B，上海儀器總廠）等。

2 實驗方法

2.1 紫蘇籽粉末的前期制備

紫蘇籽粉末（點式低速粉碎，不分粒徑全部使用），60 ℃恒溫通風烘箱干燥脫水小于等于5%[13-16]。

2.2 材料制備與提取

將前期制備紫蘇籽粉末按照一定參數條件與溶劑混合置于超聲震蕩環境中，分析、研究各影響因素之間的關系（n=3）。

待超聲提取完成，將混合反應溶液自然冷卻至室溫，分別使用布氏漏斗、旋轉蒸發儀完成固液分離和脂液分離[17-19]，最終提取率計算如下：

Y=M2 / M1×100% 。

式中：M2為提取所得油脂質量，g;M1為初始種子粉末質量，g。

2.3 單因素分析

2.3.1 反應溶液體積分數

種子粉末為10 g，固液比為1∶ 10 g/mL，溫度為40 ℃，時間為30 min，功率為100 W，乙醇溶液體積分數為50%、60%、70%、80%、90%。

2.3.2 時間

種子粉末為10 g，提取溶劑為體積分數70%乙醇溶液混合溶液，固液比為1∶ 10 g/mL，溫度為40 ℃，功率為100 W ，在此條件下研究提取時間為10、20、30、40、50 min的影響。

2.3.3 功率

種子粉末為10 g，提取溶劑為體積分數70%乙醇溶液混合溶液，固液比為1∶ 10 g/mL，溫度為40 ℃，時間為30 min，研究40、60、80、100 W對提取的影響。

2.3.4 溫度

種子粉末為10 g，提取溶劑為體積分數70%乙醇溶液混合溶液，固液比為1∶ 10 g/mL，時間為30 min，功率為100 W，研究溫度為30、40、50、60、70 ℃的對提取影響。

2.4 優化因素設計

應用Design Expert 8.0.6數據分析軟件，依據Box-Behnken試驗設計原理對顯著性影響因素時間（min）、功率（W）和溫度（℃）進行響應面回歸分析處理，因素水平表見表1。

3 結果與分析

3.1 單因素分析

3.1.1 反應溶液體積分數

由圖1可知，當混合溶液中乙醇體積分數低于70%時，提取率會因其體積分數的增加而得到提升;體積分數70%時，提取率的變化率提升至最大值。當乙醇體積分數大于70%時，混合溶液中因水分比例過低，使得種子粉末在混合溶液中得不到較好的溶脹，混合溶液會因乙醇含量過高而發生爆沸、溶劑揮發，致使提取效果不佳，提取率提高幅度降低。因此根據實驗數據，選擇體積分數70%乙醇溶液進行實驗。

3.1.2 時間

圖2分析可知，當提取時間少于30 min時，提取率會因其提取時間的延長而得到提升，30 min時，此時提取率提高幅度最大。當提取時間長于30 min時，混合溶液體系內部油脂溶解性會隨著提取時間的延長，逐漸趨于飽和，使得混合溶液內部提取率提高幅度受到影響，效率降低，所以選擇30 min進行研究。

3.1.3 功率

由圖3可知，當提取功率低于80 W時，提取率會因其提取功率的加強而得到顯著性提升;當功率為80 W時，此時提取率提高幅度最大。當功率高于80 W繼續加強到100 W時，大功率超聲會使混合溶液體系內部發生過度激烈的“空化效應”致使溶劑大量揮發;混合溶液內部提取率提高幅度下降，不利于提取的進行，所以選擇80 W進行研究。

3.1.4 溫度

如圖4所示，40～80 ℃溫度區間進行實驗，當超聲水浴溫度低于60 ℃時，提取率會因其溫度的升高而得到顯著性提升;當混合溶液內部體系溫度為60 ℃時，提取率提高幅度最大。說明在一定范圍內，適度提升反應環境溫度有利于混合溶液體系內部物質循環、能量的釋放，進而促進溶劑在種子粉末與溶液體系之間的穿梭與滲透。當溫度高于60 ℃時，溫度過高使得混合溶液體系過于沸騰、溶劑大量揮發逸出，導致提取率提高幅度降低，故選擇60 ℃進行研究。

3.2 因素優化

3.2.1 優化實驗

以響應面為研究方法，對表1影響因素水平表中的3個因素時間（A）、功率（B）和溫度（C）的進行分析、優化。表2為優化實驗過程中變量因素編碼表，表中Y為提取率對應響應值，其優化分析所得回歸方程如下：

Y=24.54+0.098 A+0.42 B-0.13 C-0.33 A·B+

0.13 A·C+0.000B·C -0.70 A2-1.22 B2-0.51 C2

由表3分析可知，影響因素A、B、C 都對提取率對應響應值Y具有互擾、顯著性影響，根據F值可得出各因素影響強弱順序為：B、C、A，顯著性強弱順序為A2、B2、C2，其中超聲時間A與超聲功率B 二者之間交互影響程度最好。實驗過程中總優化數據模型P為0.000 3 < 0.01說明該模型差異性極顯著，失擬誤差為0.332 9 > 0.05，表明各影響因素在實驗過程中互擾性不顯著。

由表4分析可知，因調整決定系數R2 = 0.927 2，說明優化模型具有較高的擬合度;R2 = 0.968 2 說明優化過程中各影響因素、各響應值之間具有96.82%可解釋度，能夠對實驗進行合理有效的優化、預期，優化實驗過程中傘狀圖如圖5—圖7所示。

響應面優化提取實驗AB、AC和BC傘狀圖，最終得出最佳優化實驗參數為：體積分數70 %乙醇溶液，固液比為1∶ 10 （g/mL），時間為34.66 min，功率為80.93 W，水浴溫度為59.92 ℃，理論期望提取率為24.03%。

3.2.2 驗證實驗

按照優化所得實驗參數進行驗證性實驗，所得實際提取率平均值為23.78%與24.03%±0.014%，具有較高的 重現性和吻合度，說明模型正確，優化所得預期方案合理有效。

4 結論

本研究以非預浸提為實驗前提，超聲提取為研究手段，在實驗數據基礎上對影響紫蘇籽油提取因 素參數進行響應面研究、優化和分析。得出最佳合理條件：體積分數70%乙醇溶液，固液比為1∶ 10 （g/mL）， 時間為34.66 min，功率為80.93 W，超聲水浴溫度為59.92 ℃。在最 佳條件下，實際平均提取率為23.78%，與理論預測值24.03%偏差± 0.014%，吻合較好，為油脂化學工藝研究領域提供現實、有效的參考依據。

【參 考 文 獻】

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